Un nuovo elettrolita fa volare le batterie al calcio

Il litio potrebbe avere un nuovo concorrente. Le batterie al calcio sono da tempo sotto la lente dei ricercatori perché utilizzano un elemento molto più abbondante ed economico, ma finora hanno dovuto fare i conti con un problema difficile da superare: far muovere gli ioni abbastanza velocemente all'interno della batteria.

Ora un nuovo studio prova a cambiare le carte in tavola. I ricercatori hanno sviluppato un elettrolita quasi solido a base organica capace di raggiungere una conducibilità ionica di 0,46 mS/cm a temperatura ambiente, un risultato particolarmente interessante per una tecnologia che finora ha mostrato prestazioni piuttosto limitate.

Il segreto sono i covalent organic framework (COF), materiali formati da molecole organiche collegate tra loro in strutture ordinate e ricche di pori. In questa batteria, il COF svolge il ruolo dell'elettrolita e permette agli ioni di calcio di muoversi più facilmente rispetto alle soluzioni tradizionali.

Il risultato è una batteria che, almeno sulla carta, supera uno dei principali ostacoli alla tecnologia. La cella completa testata dai ricercatori ha infatti conservato il 74,6% della capacità iniziale dopo 1.000 cicli.

Lo studio, firmato principalmente da Yiyuan Ma, Zhuoyu Yin e Yide Chang, rappresenta quindi un passo interessante verso batterie al calcio più efficienti e durature. Ma siamo ancora lontani dalla produzione industriale: per ora si tratta di una tecnologia in fase di ricerca e sviluppo, che dovrà superare molti altri test prima di poter arrivare sul mercato.

Batterie al calcio-organico e covalent organic framework: cosa sono

Un covalent organic framework è, in pratica, un'impalcatura molecolare porosa costruita legando in modo stabile blocchi organici tra loro, un po' come un reticolo cristallino ma fatto di carbonio e altri elementi leggeri invece che di metalli.

Questa porosità regolabile crea canali interni ordinati lungo i quali gli ioni possono muoversi con meno ostacoli rispetto a un liquido disorganizzato, il principio su cui si basa gran parte della ricerca sui sistemi di accumulo a ioni di calcio.

Nel prototipo descritto, il framework è stato impiegato come elettrolita quasi solido invece che come semplice contenitore: significa che conduce gli ioni di calcio (Ca2+) al posto del classico liquido, riducendo i rischi di perdite e migliorando la stabilità dell'interfaccia con gli elettrodi.

Il risultato è un numero di trasferenza per il calcio superiore a 0,53, cioè più della metà della corrente è effettivamente trasportata dagli ioni utili, un valore che nei sistemi convenzionali resta spesso inferiore.

Gruppi carbonilici sfalsati: perché cambiano velocità e stabilità

Il dettaglio che fa la differenza è la disposizione dei gruppi carbonilici, cioè le porzioni molecolari a base di carbonio e ossigeno che nel framework fungono da siti attivi per l'accumulo di carica. Quando questi gruppi sono allineati in modo sfalsato lungo i canali del COF, offrono punti di ancoraggio regolari per gli ioni di calcio, riducendo le barriere energetiche che normalmente rallentano il loro movimento: è lo stesso principio discusso nelle batterie agli ioni di litio con elettrodi organici.

Una batteria per auto elettriche

Foto di: Stellantis

Questa geometria ordinata spiega la capacità reversibile di circa 155,9 mAh/g misurata a 0,15 A/g, insieme alla lunga tenuta sui cicli riportata dallo studio. Ricerche parallele su strutture simili, come i iCOF solfonati impiegati come strato protettivo su anodi di calcio metallico, hanno raggiunto numeri di trasferimento fino a 0,95: un segnale che la funzionalizzazione mirata di questi materiali organici, applicabile anche a chimiche diverse come quella agli ioni di sodio, resta un campo di sviluppo aperto e non ancora arrivato a un prodotto finito.

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